Модемы и факс-модемы для аналоговых линий
Телефонные сети общего пользования, кроме своих «естественных» функций (обеспечения голосовой связи), позволяют передавать цифровые данные при помощи модемов.
Модем (модулятор-демодулятор) служит для передачи информации на большие расстояния, недоступные локальным сетям, с использованием выделенных и коммутируемых телефонных линий. Модулятор поступающую от компьютера двоичную информацию преобразует в аналоговые сигналы с частотной и/или фазовой модуляцией, спектр которых соответствует полосе пропускания обычных голосовых телефонных линий. Демодулятор из этого сигнала извлекает закодированную двоичную информацию и передает ее в принимающий компьютер.
Факс-модем (fax-modem) позволяет передавать и принимать факсимильные изображения, совместимые с обычными факс-машинами. Принятые факсы оформляются в виде файлов графических форматов, доступных приложениям для дальнейшей обработки или печати.
Современные модемы имеют ряд дополнительных возможностей, расширяющих сферу их применения. Голосовой модем (voice modem) способен преобразовывать звуковой сигнал в цифровой вид, в котором он передается по линии связи. На приемной стороне выполняются обратные преобразования. Аудиосигнал сжимается, например, по методу ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation — адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция, АДИКМ). С помощью голосового модема могут быть реализованы звуковая почта, автоответчик и другие речевые функции. Звуковое сообщение может передаваться по электронной почте или в диалоге реального времени и воспроизводиться голосовым модемом через внутренний динамик, дополнительный телефонный аппарат или через мультимедийные средства компьютера (звуковую карту). Средства обработки звуковых сигналов позволяют модему автоматически определять номер вызывающего абонента (АОН), распознавать сигналы тонального набора номера.
Телефонные линии с точки зрения модемной связи
В зависимости от параметров линий связи доступные скорости передачи могут различаться в сотни раз. Качество линии определяет возможную частоту изменения состояния сигнала в линии. Единицей измерения этого параметра является бод (baud) — количество изменений состояния за одну секунду. В простейшем случае модуляции используются два состояния сигнала (например, две частоты), и тогда скорость передачи двоичной информации, определяемая как число бит, передаваемых за 1 секунду, bps (bit per second, бит/с), будет совпадать со скоростью передачи в бодах. Однако в более эффективных методах модуляции применяют множество возможных состояний сигнала. Это позволяет одним состоянием сигнала кодировать несколько бит данных, в результате чего скорость передачи данных bps превышает скорость изменения сигнала baud. Конечного пользователя больше интересует эффективная скорость передачи полезной информации, которую измеряют в количестве переданных байт или символов за секунду — cps (characters per second). Казалось бы естественным соотношение cps = bps/8 (для восьмибитных символов), но на самом деле оно ниже за счет служебных бит (старт- и стоп-биты, см. 10.1) и накладных расходов протокола передачи.
Работу модемов осложняет масса факторов, обусловленных линиями связи. Это и затухание сигнала, которое может быть различным и меняться даже в течение сеанса связи, и фазовые и частотные искажения, и эхо-сигналы, и перекрестные помехи и шумы. Эти станции вносят большой уровень помех. Следующее поколение при том же аналоговом методе передачи использует лучшие коммутаторы. Станции между собой могут связываться как аналоговыми, так и цифровыми линиями. В современных станциях на стороне абонента имеется ЦАП и АЦП, к абоненту идет аналоговая линия, а магистральная связь с другими АТС производится по цифровым каналам. Если оба модема подключены к таким станциям и между ними не попадается аналоговых линий (рис. 1.1, в), то тракт передачи информации в каждом направлении будет содержать две относительно короткие аналоговые линии («последние мили»), АЦП, ЦАП и цифровой канал передачи. «Неприятным» элементом в этом тракте является АЦП, который всегда вносит шум квантования. На таком тракте достижима скорость передачи 33 600 бит/с. Если АТС абонентов связаны между собой каналами, включающими и аналоговые участки, то в тракте добавляется еще по крайней мере пара АЦП/ЦАП и аппаратура частотного уплотнения каналов, что явно не улучшает качество линии. В чисто аналоговых линиях АЦП/ЦАП нет, зато есть аппаратура частотного уплотнения каналов; дальние аналоговые связи сильно подвержены действиям помех. В этих случаях достижимая скорость передачи будет ниже.
Рис. 1.1. Тракты телефонной связи: а — обычный, б — «полуцифровой»
Исключить принципиально шумящий АЦП позволяет схема1 (рис. 1.1, б). Здесь один из абонентов (Р) должен подключаться к цифровому интерфейсу телефонной сети, что может себе позволить, например, провайдер услуг Интернета. Тогда в тракте передачи от него до обычного абонента (А) АЦП отсутствует, но в обратном тракте АЦП есть. К свойствам ЦАП и линии модем может приноровиться: во время установления соединения модем Р посылает серию известных кодов, из которых модем А выбирает наиболее различимые. Поскольку между цифровым интерфейсом и входом модема стоит только 8-битный ЦАП и не очень длинная линия, в принципе, можно использовать все 256 возможных кодов. Однако коды сигнала со значением близким к нулю сильно подвержены действию шумов. В последующем обмене данными используется часть кодов, например, 128 (7 бит), что дает соотношение bps/baud=7. По направлению от Р к А достижима скорость 56 кбит/с, в обратном направлении — 33,6 кбит/с. Эта асимметрия весьма удачна с точки зрения подключения к Интернету, поскольку основной поток данных идет от провайдера. Модемы V.90 делятся на клиентские и серверные: клиентские подключаются к аналоговой телефонной линии, серверные — только к цифровой. Между двумя аналоговыми модемами V.90 связь может устанавливаться
по стандарту V.34 — 33,6 кбит/с, если не помешают аналоговые линии между АТС.